pcb板基础知识、布局原则、布线技巧、设计规则.txt

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    图 6－20 圆形拐角设置 6 ． Routing Via Style （导孔）选项区域设置 该规则设置用于设置布线中导孔的尺寸，其界面如图 6－21 所示。
    图 6 －21 导孔设置 可以调协的参数有导孔的直径 via Diameter 和导孔中的通孔直径 Via Hole Size ， 包 括 Maximum （最大值） Minimum （最小值）和 Preferred （最佳值） 、 。设置时需注 意导孔直径和通孔直径的差值不宜过小，否则将不宜于制板加工。合适的差值在 10mil 以上。 6.4 阻焊层设计规则 Mask （阻焊层设计）规则用于设置焊盘到阻焊层的距离，有如下几种规则。 1 ． Solder Mask Expansion （阻焊层延伸量）选项区域设置 该规则用于设计从焊盘到阻碍焊层之间的延伸距离。 在电路板的制作时， 阻焊层要 预留一部分空间给焊盘。这个延伸量就是防止阻焊层和焊盘相重叠，如图 6 — 22 所示 系统默认值为 4mil,Expansion 设置预为设置延伸量的大小。
    图 6 — 22 阻焊层延伸量设置 2 ． Paste Mask Expansion （表面粘着元件延伸量）选项区域设置 该规则设置表面粘着元件的焊盘和焊锡层孔之间的距离，如图 6 — 23 所示，图中 的 Expansion 设置项为设置延伸量的大小。
    图 6 — 23 表面粘着元件延伸量设置 6.5 内层设计规则 Plane （内层设计）规则用于多层板设计中，有如下几种设置规则。 1 ． Power Plane Connect Style （电源层连接方式）选项区域设置 电源层连接方式规则用于设置导孔到电源层的连接， 其设置界面如图 6 — 24 所示。
    图 6 — 24 电源层连接方式设置 图中共有 5 项设置项，分别是： ? Conner Style 下拉列表：用于设置电源层和导孔的连接风格。下拉列表中有 3 个选项可以选择： Relief Connect （发散状连接） Direct connect （直接连接）和 No 、 Connect （不连接） 。工程制板中多采用发散状连接风格。 ? Condctor Width 文本框：用于设置导通的导线宽度。
    Conductors 复选项：用于选择连通的导线的数目，可以有 2 条或者 4 条导 线供选择。 ? Air-Gap 文本框：用于设置空隙的间隔的宽度。 ? Expansion 文本框：用于设置从导孔到空隙的间隔之间的距离。 2. Power Plane Clearance （电源层安全距离）选项区域设置 该规则用于设置电源层与穿过它的导孔之间的安全距离， 即防止导线短路的最小距 离，设置界面如图 6 — 25 所示，系统默认值 20mil。
    图 6 — 25 电源层安全距离设置 3 ． Polygon Connect style （敷铜连接方式）选项区域设置 该规则用于设置多边形敷铜与焊盘之间的连接方式，设置界面如图 6 — 26 所示。
    图 6 — 26 敷铜连接方式设置 该设置对话框中 Connect Style 、 Conductors 和 Conductor width 的设置与 Power Plane Connect Style 选项设置意义相同，在此不同志赘述。 最后可以设定敷铜与焊盘之间的连接角度，有 90angle(90 ° ) 和 45Angle （ 45 °） 角两种方式可选。 6.6 测试点设计规则 Testpiont （测试点设计）规则用于设计测试点的形状、用法等，有如下几项设置。 1 ． Testpoint Style （测试点风格）选项区域设置 该规则中可以指定测试点的大小和格点大小等，设置界面如图 6 — 27 所示。
    图 6 — 27 测试点风格设置 该设置对话框有如下选项： ? Size 文本框为测试点的大小， Hole Size 文本框为测试点的导孔的大小，可以 指定 Min （最小值） Max （最大值）和 Preferred （最优值） 、 。 ? Grid Size 文本框：用于设置测试点的网格大小。系统默认为 1mil 大小。 ? Allow testpoint under component 复选项： 用于选择是否允许将测试点放置在元 件下面。复选项 Top 、 Bottom 等选择可以将测试点放置在哪些层面上。 右边多项复选项设置所允许的测试点的放置层和放置次序。 系统默认为所有规则都 选中。 2 ． Testpoint Usage （测试点用法）选项区域设置 测试点用法设置的界面如图 6 — 28 所示。
    图 6 — 28 测试点用法设置 该设置对话框有如下选项： Allow multiple testpoints on same net 复选项：用于设置是否可以在同一网络上允许 多个测试点存在。 Testpoint 选项区域中的单选项选择对测试点的处理，可以是 Required ( 必须处理 ) 、 Invalid （无效的测试点）和 Don't care （可忽略的测试点） 。 6.7 电路板制板规则 Manufacturing （电路板制板）规则用于对电路板制板的设置，有如下几类设置： 1. Minimum annular Ring （最小焊盘环宽）选项区域设置 电路板制作时的最小焊盘宽度， 即焊盘外直径和导孔直径之间的有效期值， 系统默 认值为 10 mil。 2 ． Acute Angle （导线夹角设置）选项区域设置 对于两条铜膜导线的交角，不小于 90 °。 3 ． Hole size （导孔直径设置）选项区域设置
    该规则用于设置导孔的内直径大小。可以指定导孔的内直径的最大值和最小值。 Measurement Method 下拉列表中有两种选项： Absolute 以绝对尺寸来设计， Percent 以相对的比例来设计。 采用绝对尺寸的导孔直径设置对话框如图 6 — 29 所示 （以 mil 为单位） 。
    图 6 — 29 导孔直径设置对话框 4 ． Layers Pais （使用板层对）选项区域设置 在设计多层板时，如果使用了盲导孔，就要在这里对板层对进行设置。对话框中的 复选取项用于选择是否允许使用板层对（ layers pairs ）设置。 本章中，对 Protel DXP 提供的 10 种布线规则进行了介绍，在设计规则中介绍了每 条规则的功能和设置方法。 这些规则的设置属于电路设计中的较高级的技巧， 它设计到 很多算法的知识。掌握这些规则的设置，就能设计出高质量的 PCB 电路。
    双面板布线技巧
    一 双面板布线技巧 在当今激烈竞争的电池供电市场中，由于成本指标限制，设计人员常常使用双面板。尽 管多层板(4 层、6 层及 8 层) 方案在尺寸、噪声和性能方面具有明显优势，成本压力却 促使工程师们重新考虑其布线策略，采用双面板。在本文中，我们将讨论自动布线功能 的正确使用和错误使用， 有无地平面时电流回路的设计策略， 以及对双面板元件布局的 建议。 自动布线的优缺点以及模拟电路布线的注意事项 设计 PCB 时，往往很想使用自动布线。通常，纯数字的电路板(尤其信号电平比较 低，电路密度比较小时)采用自动布线是没有问题的。但是，在设计模拟、混合信号或 高速电路板时，如果采用布线软件的自动布线工具，可能会出现一些问题，甚至很可能 带来严重的电路性能问题。 例如，图 1 中显示了一个采用自动布线设计的双面板的顶层。此双面板的底层如 图 2 所示，这些布线层的电路原理图如图 3a 和图 3b 所示。设计此混合信号电路板时， 经仔细考虑，将器件手工放在板上，以便将数字和模拟器件分开放置。 采用这种布线方案时，有几个方面需要注意，但最麻烦的是接地。如果在顶层布地 线，则顶层的器件都通过走线接地。器件还在底层接地，顶层和底层的地线通过电路板 最右侧的过孔连接。 当检查这种布线策略时， 首先发现的弊端是存在多个地环路。 另外， 还会发现底层的地线返回路径被水平信号线隔断了。 这种接地方案的可取之处是， 模拟 器件(12 位 A/D 转换器 MCP3202 和 2.5V 参考电压源 MCP4125)放在电路板的最右侧， 这种布局确保了这些模拟芯片下面不会有数字地信号经过。
    图 3a 和图 3b 所示电路的手工布线如图 4、图 5 所示。在手工布线时，为确保正确 实现电路，需要遵循一些通用的设计准则：尽量采用地平面作为电流回路；将模拟地平 面和数字地平面分开；如果地平面被信号走线隔断，为降低对地电流回路的干扰，应使 信号走线与地平面垂直； 模拟电路尽量靠近电路板边缘放置， 数字电路尽量靠近电源连 接端放置，这样做可以降低由数字开关引起的 di/dt 效应。 这两种双面板都在底层布有地平面， 这种做法是为了方便工程师解决问题， 使其可 快速明了电路板的布线。厂商的演示板和评估板通常采用这种布线策略。但是，更为普 遍的做法是将地平面布在电路板顶层，以降低电磁干扰。
    图 1 采用自动布线为图 3 所示电路原理图设计的电路板的顶层
    图 2 采用自动布线为图 3 所示电路原理图设计的电路板的底层
    图 3a 图 1、图 2、图 4 和图 5 中布线的电路原理图
    图 3b 图 1、图 2、图 4 和图 5 中布线的模拟部分电路原理图 有无地平面时的电流回路设计 对于电流回路，需要注意如下基本事项： 1. 如果使用走线，应将其尽量加粗。 PCB 上的接地连接如要考虑走线时，设计应将走线尽量加粗。这是一个好的经验 法则，但要知道，接地线的最小宽度是从此点到末端的有效宽度，此处“末端”指距离电 源连接端最远的点。 2. 应避免地环路。 3. 如果不能采用地平面，应采用星形连接策略 (见图 6)。 通过这种方法，地电流独立返回电源连接端。图 6 中，注意到并非所有器件都有自 己的回路，U1 和 U2 是共用回路的。如遵循以下第 4 条和第 5 条准则，是可以这样做 的。 4. 数字电流不应流经模拟器件。 数字器件开关时，回路中的数字电流相当大，但只是瞬时的，这种现象是由地线的 有效感抗和阻抗引起的。对于地平面或接地走线的感抗部分，计算公式为 V = Ldi/dt， 其中 V 是产生的电压，L 是地平面或接地走线的感抗，di 是数字器件的电流变化，dt 是持续时间。对地线阻抗部分的影响，其计算公式为 V= RI, 其中，V 是产生的电压， R 是地平面或接地走线的阻抗，I 是由数字器件引起的电流变化。经过模拟器件的地平 面或接地走线上的这些电压变化，将改变信号链中信号和地之间的关系(即信号的对地 电压)。 5. 高速电流不应流经低速器件。 与上述类似， 高速电路的地返回信号也会造成地平面的电压发生变化。 此干扰的计 算公式和上述相同，对于地平面或接地走线的感抗，V = Ldi/dt ；对于地平面或接地走 线的阻抗，V = RI 。与数字电流一样，高速电路的地平面或接地走线经过模拟器件时， 地线上的电压变化会改变信号链中信号和地之间的关系。
    图 4 采用手工走线为图 3 所示电路原理图设计的电路板的顶层
    图 5 采用手工走线为图 3 所示电路原理图设计的电路板的底层
    图 6 如果不能采用地平面，可以采用“星形”布线策略来处理电流回路
    图 7 分隔开的地平面有时比连续的地平面有效，图 b)接地布线策略比图 a) 的接 地策略理想 6. 不管使用何种技术，接地回路必须设计为最小阻抗和容抗。
    7. 如使用地平面，分隔开地平面可能改善或降低电路性能，因此要谨慎使用。分 开模拟和数字地平面的有效方法如图 7 所示。 图 7 中，精密模拟电路更靠近接插件，但是与数字网络和电源电路的开关电流隔离开 了。 这是分隔开接地回路的非常有效的方法， 我们在前面讨论的图 4 和图 5 的布线也采 用了这种技术。 二、 工程领域中的数字设计人员和数字电路板设计专家在不断增加， 这反映了行业 的发展趋势。尽管对数字设计的重视带来了电子产品的重大发展，但仍然存在，而且还 会一直存在一部分与模拟或现实环境接口的电路设计。 模拟和数字领域的布线策略有一 些类似之处，但要获得更好的结果时，由于其布线策略不同，简单电路布线设计就不再 是最优方案了。本文就旁路电容、电源、地线设计、电压误差和由 PCB 布线引起的电 磁干扰 (EMI)等几个方面，讨论模拟和数字布线的基本相似之处及差别。 模拟和数字布线策略的相似之处 旁路或去耦电容 在布线时， 模拟器件和数字器件都需要这些类型的电容， 都需要靠近其电源引脚连 接一个电容，此电容值通常为 0.1mF。系统供电电源侧需要另一类电容，通常此电容值 大约为 10mF。 这些电容的位置如图 1 所示。电容取值范围为推荐值的 1/10 至 10 倍之间。但引脚 须较短，且要尽量靠近器件(对于 0.1mF 电容)或供电电源(对于 10mF 电容)。 在电路板上加旁路或去耦电容， 以及这些电容在板上的位置， 对于数字和模拟设计 来说都属于常识。但有趣的是，其原因却有所不同。在模拟布线设计中，旁路电容通常 用于旁路电源上的高频信号， 如果不加旁路电容， 这些高频信号可能通过电源引脚进入 敏感的模拟芯片。一般来说，这些高频信号的频率超出模拟器件抑制高频信号的能力。 如果在模拟电路中不使用旁路电容的话， 就可能在信号路径上引入噪声， 更严重的情况 甚至会引起振动。